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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Photosensors und insbesondere eines CMOS-kompatiblen Photosensors.
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In elektronischen Bildverarbeitungssystemen werden zunehmend in CMOS-Technik hergestellte Photosensoren eingesetzt. Diese sind gegenüber den mit konventioneller CCD-Technologie hergestellten Bildsensoren einfacher aufgebaut. Darüber hinaus ist der Systempreis bei der mit dem CMOS-Prozeß möglichen 1-Chip-Lösung günstiger. Weiterhin ist es bei CCD-Photosensoren schwierig, die Signalschaltkreise, die typischerweise in CMOS-Technologie gefertigt werden, auf dem Sensorchip zu integrieren. CMOS-Photosensoren dagegen lassen sich insbesondere aufgrund der Fortschritte in der CMOS-Technologie sehr gut miniaturisieren und bieten darüber hinaus eine große Vielfalt von Anwendungsmöglichkeiten. Derartige herkömmliche CMOS-Bildsensoren mit LDD-Photodioden und vertieften Wannen zur Steigerung der Quanteneffizienz sind beispielsweise aus der Druckschrift
EP 0 917 206 A1 bekannt.
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CMOS-kompatible Photosensoren enthalten im Allgemeinen pro Bildpunkt eine Photodiode und mehrere Transistoren, um die elektrischen Ladungen, die die Photodiode beim Auftreffen von Strahlungsenergie erzeugt, auszulesen und um anschließend die Schaltung wieder zurückzusetzen. Eine wesentliche Anforderung, die an die in CMOS-Technologie hergestellten Photodioden gestellt wird, ist es, eine hohe Quanteneffizienz zu erreichen, d. h. einen hohen Anteil von Ladungsträgern zu erzeugen, die durch die auf der Photodiode auftreffenden Photonen generiert, dann zum Photostrom beitragen. Weiterhin ist es Zielsetzung, bei den Photodioden die Leckströme so gering wie möglich zu halten, um einen ausreichenden Signal/Rausch-Abstand der Photodiode zu gewährleisten.
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Mit Hilfe der CMOS-Technologie lässt sich eine Vielzahl verschiedener Photodioden erzeugen, die insbesondere durch ihr unterschiedliches Dotierprofil gekennzeichnet sind. Als Photodioden lassen sich dabei p/n+- Übergänge, p+/n-Übergänge und p/n-Übergänge nutzen, wobei die die beiden erstgenannten Übergänge nutzenden Photodioden S/D(Source/Drain)-Dioden und die den letztgenannten Übergang nutzenden Dioden LDD(Light Doped Drain)-Dioden genannt werden. S/D-Dioden zeigen jedoch nur eine niedrige Quanteneffizienz insbesondere im blauen Spektralbereich des Lichts, da am hochdotierten p/n-Übergang die dort vor allem durch blaues Licht erzeugten Ladungsträger sofort rekombinieren. LDD-Dioden, die einen niederdotierten p/n-Übergang besitzen, weisen gegenüber S/D-Dioden eine wesentlich höhere Quanteneffizienz, insbesondere für blaues Licht auf.
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Aus der Druckschrift
DE 691 26 596 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung von BiCMOS-Transistoren bekannt, bei dem zum Schutze einer Oberfläche eines Bipolar-Transistors eine Gateelektrodenschicht bzw. Polysiliziumschicht als Schutzschicht oberhalb einer thermisch ausgebildeten Gateoxidschicht verwendet bzw. strukturiert wird. Auf diese Weise wird eine Dichte von elektronischen Fangstellen an der Substratoberfläche verringert, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften des weiteren Elements (Bipolar-Transistor) verbessern lassen.
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Aus der Literaturstelle „Ph. Aubert et al.: Monolithic Optical Position Encoder with On-Chip Photodiodes. IEEE Journal of Solid State Circuits, ISSN 0018-9200, 1988, Vol. 23, No. 2, S. 465–473” ist ein Verfahren zur Herstellung einer CMOS-kompatiblen Photodiode bekannt, wobei CMOS-Halbleiterbauelemente und Photodioden auf einem Baustein miteinander kombiniert werden können.
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Die Druckschrift
WO 98/57369 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer CMOS-kompatiblen Photodiode, wobei als Isolationsbereich eine flache Grabenisolation (STI, Shallow Trench Isolation) verwendet wird.
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Ferner ist aus der Druckschrift
US 5 880 495 A eine so genannte „pinned” Photodiode bekannt, wobei eine vertiefte n-Wanne im Halbleitersubstrat zur Erhöhung einer Quantenausbeute ausgebildet wird.
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Die Druckschrift
DE 199 29 733 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors mit einer selbsjustierten Silizidschicht, wobei mittels eines Spacerverfahr0ens an den Seitenwänden von Gate-Elektroden Spacer ausgebildet werden.
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Die bekannten CMOS-Photodioden zeichnen sich aber alle durch sehr hohe Leckströme aus. Ein wesentlicher Beitrag zum Leckstrom bei Photodioden sind Defekte an der Halbleiteroberfläche, die durch die CMOS-Prozesse entstehen. Die Halbleiteroberfläche wird insbesondere oft durch Überätzen der in CMOS-Bauteilen verwendeten Spacer stark angegriffen und geschädigt. Dies ist insbesondere bei LDD-Dioden von Nachteil, da hier der p/n-Übergang aufgrund der geringen Dotierung sehr nahe an der Halbleiteroberfläche liegt, so dass die LDD-Diode besonders empfindlich auf die Oberflächendefekte reagiert. Der Leckstrom ist deshalb bei LDD-Dioden meistens noch wesentlich höher als bei S/D-Dioden. LDD-Dioden zeigen darüber hinaus eine hohe Streuung beim Leckstrom, wobei die Gefahr eines „white Pixels”, d. h. eines Totalausfalls der Diode besteht.
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Um die Qualität der Oberflächen bei mittels CMOS-Technologie hergestellten Photodioden zu verbessern, wurde versucht mit zusätzlichen Temper- und/oder Oxidationsschritten die Defekte an der Halbleiteroberfläche auszuheilen bzw. die vorhandenen Störstellen abzusättigen. Insbesondere bei Temper-Schritten besteht jedoch die Gefahr, dass sich die elektrischen Parameter der in dem Photosensor und der Auswerteschaltung integrierten Transistoren deutlich verändern. Dies führt dann dazu, dass die Transistoren neu charakterisiert bzw. völlig neu eingestellt werden müssen. Die Verwendung von zusätzlichen Passivierungschichten, wie z. B. Siliziumnitrid, auf der Photodiode hat im Stand der Technik jedoch bisher nicht eine wesentliche Reduzierung der Leckströme bewirkt, da bei der Schichtherstellung mechanische Spannungen mit der darunterliegenden Siliziumoberfläche auftreten, die zu zusätzlichen Leckströmen führen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren zum Herstellen von Photosensoren bereitzustellen, die sich durch einen hohe Quanteneffizienz und einen geringen Leckstrom auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren entsprechend den Merkmalen den Anspruches 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Insbesondere durch die Beabstandung des Photosensors von den Isolationsbereichen können die elektrischen Eigenschaften des CMOS-kompatiblen Photosensors wesentlich verbessert werden, da sich dadurch beispielsweise eine mechanische Beanspruchung und damit unerwünschte Leckströme verringern. Ferner kann ein derartiger Photosensor besonders kostengünstig hergestellt werden, da das Entfernen der Schutzschicht und das Durchführen der Dotierimplantation mit nur einer gemeinsamen Maskenschicht erfolgt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Photodiode nach vollständiger Polysilizium-Ätzung und Dotierimplantation;
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2 eine Photodiode nach teilweiser Polysilizium-Ätzung und Dotierimplantation;
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3 eine stark vergrößerte Aufnahme der Photodiode nach der Polysilizium-Ätzung;
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4 eine Maskenschrittdarstellung zur Erzeugung eines p+-Anschlusses einer Photodiode;
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5 einen ersten Aufbau einer Photodiode;
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6 einen zweiten Aufbau einer Photodiode; und
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7 einen Vergleich der Quanteneffizienz für Photodioden, die nach dem herkömmlichen und dem erfindungsgemäßen CMOS-Herstellungsverfahren erzeugt wurden.
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Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines CMOS-Photosensors erläutert, wobei insbesondere auf die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte eingegangen wird.
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Ein CMOS-Photosensor enthält pro Einheitsbildpunkt im Allgemeinen eine Photodiode und mehrere Transistoren zum Auslesen der von der Photodiode gesammelten elektrischen Ladung und zum anschließenden Zurücksetzen der Schaltung. Im erfindungsgemäßen Prozessablauf beginnt das Verfahren zur Herstellung des CMOS-Photosensors mit einer Scheibenpräparation des Silizium-Wafers. Hierzu wird auf einem p+-Substrat eine p–-Epitaxialschicht aufgetragen. Die Bauelemente können jedoch statt auf der p–-Epitaxialschicht auch unmittelbar auf einem p–-Substrat ausgebildet werden.
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Auf der Siliziumoberfläche werden dann in einem ersten Maskenschritt vorzugsweise nach dem LOCOS- oder STI-Verfahren hergestellte Feldoxid-Regionen hergestellt. Nach Erzeugung der Feldoxid-Regionen werden in mehreren Maskenschritten n- und p-Wannen in der Siliziumoberfläche ausgebildet. Dann erfolgt die Ausbildung der Kanaldotierungen der Transistoren. Vor Ausbildung der Gates der Transistoren wird das Streuoxid, das zur Ionenimplantation der Dotieratome der Wannen und Kanäle gedient hat, weggeätzt, um entstandene Verunreinigungen zu beseitigen. Anschließend wird ein qualitativ hochwertiges Gateoxid auf der freigelegten Siliziumoberfläche in der Größenordnung von 5 nm bis 20 nm erzeugt. Auf diesem Gateoxid wird dann Polysilizium abgeschieden, das als Gate für die Transistoren des Photosensors dient. Diese Polysiliziumschicht wird dann entweder durch Ionenimplantation oder Diffusion dotiert.
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Zur Festlegung der Polysilizium-Gatebereiche wird weiterhin ein Photolithographieschritt ausgeführt. Hierzu wird auf bekannte Weise ein lichtempfindlicher Lack auf der Polysiliziumschicht aufgebracht. Dieser Lack wird dann über eine Maske belichtet. Die Maske ist dabei jedoch so ausgeführt, dass nicht nur die Struktur der Polysilizium-Gates als Muster auf der Maske vorgesehen ist, sondern auch die Bereiche, auf denen die Photodioden ausgebildet werden sollen. Anschließend wird der Photolack entwickelt und in den Bereichen, die zur Ätzung vorgesehen sind, entfernt. Dann werden mit den bekannten Ätzverfahren die freigelegten Polysiliziumbereiche weggeätzt. Am Ende des Gatestrukturierungsprozesses bleiben so nur die als Gates vorgesehenen Bereiche auf dem Photosensor sowie die für die Photodioden vorgesehenen Bereiche mit der Polysiliziumschicht bedeckt. Nach der Gatestrukturierung werden mit den bekannten CMOS-Schritten dann die Transistoren ausgebildet. Hierzu werden durch mehrere Maskenprozesse die LDD-Implantationen für die Source- und Drain-Anschlüsse sowie Spacer-Abscheidungen und -Ätzungen ausgeführt.
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Nach der Transistorstrukturierung werden mit weiteren Maskenschritten die n+- und p+-Kontaktflächen der Transistoren sowie die Photodioden strukturiert. Hierzu werden in einem ersten Photolithographieschritt vorzugsweise die n+-Bereiche für Source und Drain im Photosensor definiert. Anschließend wird eine n+-Dotierung, vorzugsweise durch Ionenimplantation eingebracht. Nach der Ionenimplantation wird die Photolackmaske wieder entfernt.
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Zur Strukturierung der Photodiode wird dann ein Lithographieschritt mit einer Photodiodenmaske, die als Muster die Struktur der Photodiode enthält, ausgeführt. Hierzu werden wieder die bekannten Lithographietechniken verwendet. Zuerst wird eine strahlungsempfindliche Photolackmaske 1 aufgetragen und in den für die Photodioden vorgesehenen Bereichen durch die Photodiodenmaske bestrahlt. Mit einem geeigneten Entwickler werden dann die bestrahlten Bereiche des Photolacks entfernt, wodurch der für die Photodiode vorgesehene Oberflächenbereich freigelegt wird, der weiterhin von der Polysiliziumschicht 2 bedeckt ist, die bei der Gatestrukturierung in diesem Oberflächenbereich nicht entfernt wurde. Das durch den Lithographieprozess entstandene Lackmuster dient anschließend als Maske zum Ätzen dieser Polysiliziumschicht.
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Als Ätzverfahren können hier alle bekannten Verfahren zum Ätzen von Polysilizium eingesetzt werden. Insbesondere besteht die Möglichkeit, eine isotrope Ätzung, bei der der Ätzangriff richtungsunabhängig erfolgt, durchzuführen. Beim Ausführen eines isotropen Ätzprozesses wird die Polysiliziumschicht 2, die unter der Photolackmaske 1 ausgebildet ist, untergeätzt. Insbesondere mit der isotropen Ätzung besteht, wie in 1 gezeigt ist, die Möglichkeit, die Polysiliziumschicht, die die Photodiode abdeckt, vollständig, bis zu den auf der Photodiode vorgesehenen Spacern 3 zurückzuätzen. Hierdurch wird gewährleistet, dass eventuell vorhandene Polysiliziumrückstände nicht negativ die Funktionsfähigkeit der Photodiode beeinflussen. 3 zeigt in einer stark vergrößerten Darstellung die Photodiodenbereiche auf der Halbleiteroberfläche nach isotroper Polysilizium-Ätzung.
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Nach der Polysilizium-Ätzung wird mit Hilfe der Photolackmaske 1 durch das auf der Halbleiteroberfläche weiterhin vorhandene Gateoxid 4 die Photodiode im Siliziumsubstrat strukturiert. Hierbei wird zuerst ein p/n-Übergang hergestellt, in dem entweder sowohl ein n-Gebiet als auch ein p-Gebiet oder nur eines dieser Gebiete, wenn das andere bereits im früheren CMOS-Prozessablauf ausgebildet wurde, erzeugt werden. Die in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiele zeigen jeweils die Herstellung einer Photodiode in einer vorhandenen n-Wanne, wobei diese n-Wanne zusätzlich durch eine Hochenergie-Implantation von n-Dotieratomen vertieft ist. Durch die erweiterte n-Wanne 5 wird die Quanteneffizienz der Photodiode gesteigert, da die Grenzfläche, bis zu der Ladungsträger von der Photodiode gesammelt werden, tiefer in das Siliziumsubstrat hinein verlagert ist, wodurch sich insbesondere die Rotempfindlichkeit der Photodiode wesentlich verbessern lässt.
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Das schwachdotierte p-Gebiet 6 der Photodiode wird flach ausgeführt, so dass der p/n-Übergang nahe an der Oberfläche liegt, wodurch eine hohe Quanteneffizienz im blauen Spektralbereich erreicht wird. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform wird die Implantation der schwachen p-Schicht 6 weiterhin so ausgeführt, dass die Ränder dieses p-dotierten Bereiches von den Isolationsfeldoxidschichten 10 beabstandet sind. Hierdurch wird verhindert, dass mechanische Spannungen, wie sie bei dem in 1 gezeigten direkten Übergang zwischen der schwach p-dotierten Schicht 6 und den Isolationsfeldoxiden 10 auftreten können, entsteht. Eine solche mechanische Spannung führt zu erhöhten Leckströmen der Photodiode. Diese Leckströme lassen sich durch die in 2 gezeigte Beabstandung der schwach p-dotierten Schicht 6 von dem Isolationsfeldoxid 10 verhindern. Um eine solche Beabstandung zu erreichen, wird die Lackmaske 1 so strukturiert, dass nicht der gesamte, von den Isolationsfeldoxiden 10 für die Photodiode begrenzte Bereich freigelegt wird. Anschließend wird dann die Polysiliziumschicht durch isotrope Ätzung auch unterhalb der Lackmaske 1 vollständig entfernt. Nur in dem von der Lackmaske 1 freigelegten Bereich wird dann die flache schwachdotierte p-Schicht 6 ausgeprägt.
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Nach der Dotierimplantation wird die Photolackmaske 1 entfernt und die Oberfläche gereinigt. Nach Abschluss der Strukturierung der Photodiode werden die p+-Bereiche für Source und Drain über einen weiteren Photolithographieschritt definiert. Hierzu wird eine weitere Lackschicht 7 aufgebracht, und mit einer Maske strukturiert, wobei auf dem schwachdotierten p-Bereich der Photodiode, wie 4 zeigt, ein kleines Gebiet freigelegt wird. Durch diesen freigelegten Bereich wird eine p+-Implantation zur Realisierung eines stark dotierten p-Bereichs 8 ausgeführt, wodurch ein Kontaktieren des schwachdotierten p-Bereiches 6 ermöglicht wird. Weiterhin wird durch diesen stark dotierten p-Bereich 8 eine zusätzliche S/D-Diode in der LDD-Diode erzeugt. Nach Abschluss der p+-Strukturierung für Source und Drain werden in einem Temper-Schritt die Dotieratome aktiviert. Dann werden in weiteren Maskenschritten die Metallisierungsebenen ausgeführt und abschließend die Kontakte hergestellt.
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5 zeigt einen ersten Aufbau einer Photodiode, die nach dem vorgenannten Prozessablauf hergestellt ist. Diese Oberflächenphotodiode hat die Struktur einer LDD-Diode mit einer tiefen n-Wanne 11 und zeichnet sich durch eine hohe Quanteneffizienz im gesamten Spektralbereich aus.
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7 zeigt einen Vergleich der Quanteneffizienz über den Lichtwellen-Längenbereich zwischen Photodioden, die mit der herkömmlichen CMOS-Technologie erzeugt wurden, und solche, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden. Aus 7 ergibt sich deutlich, dass die in Standardtechnologie hergestellten S/D-Diode und LDD-Diode eine geringere Quanteneffizienz als eine LDD-Diode besitzen, die mit einer Polysilizium-Abdeckung auf dem für die Photodiode vorgesehenen Oberflächenbereich während der Transistorherstellung versehen war. Wie sich aus 7 weiter ergibt, lässt sich dann durch Vorsehen der tiefen n-Wanne 11 die Quanteneffizienz der LDD-Diode nochmals wesentlich steigern.
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6 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung einer Photodiode, die nach dem erfindungsgemäßen CMOS-Prozessablauf hergestellt wurde. Diese Photodiode ist direkt im Siliziumsubstrat strukturiert, wobei durch die Photodiodenlackmaske eine tiefe n-Schicht 9 implantiert wird. Diese n-Schicht 9 ist dabei so ausgebildet, dass sie Anschluss zu den beiden den Photodiodenbereich begrenzenden n-Wannen 11' besitzt und so angeschlossen wird. Über der tiefen n-Schicht 9 wird dann, ähnlich wie bei der in 6 gezeigten Photodiode, eine schwach p-dotierte Schicht 6 und ein p+-Kontakt 8 ausgebildet. Die Photodiode erhält somit eine pin-Struktur, die sich gegenüber der LDD-Diode durch eine verbesserte Quanteneffizienz auszeichnet. Neben den dargestellten Photodiodenstrukturen sind jedoch mit dem erfindungsgemäßen Prozessablauf beliebige Diodenkonzepte, z. B. eine Photodiode mit vergrabener Schicht, die als Pinned Photodiode bekannt ist, realisierbar. Auch besteht die Möglichkeit, den p/n-Übergang der Photodiode statt durch Implantierung einer p-Schicht in einer n-Wanne auch durch Implantierung einer n-Schicht in einer p-Wanne zu erzeugen. Der erfindungsgemäße Prozessablauf erlaubt eine einfache Integration in die unterschiedlichsten CMOS-Verfahren.
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Mit dem erfindungsgemäßen Prozessablauf wird neben der verbesserten Quanteneffizienz insbesondere eine wesentliche Reduzierung des Leckstroms erreicht. Die Passivierung durch die Gateoxidschicht auf dem für die Photodiode vorgesehenen Oberflächenbereich während der Ausbildung der Transistoren des Photosensors ermöglicht es, auch eine Oberflächenphotodiode so auszulegen, dass kaum Oberflächendefekte auftreten. Insbesondere ist es im Vergleich zu den herkömmlichen CMOS-Prozessabläufen zur Herstellung von Photosensoren nicht mehr notwendig, zur Ausheilung von Oberflächendefekten zusätzliche Temper-Schritte vorzusehen, die die elektrischen Parameter der im CMOS-Prozeß hergestellten Transistoren verschieben könnten. Durch die Verwendung der Polysiliziumschicht zum Schutz des Gateoxids auf der Siliziumoberfläche kann auf eine zusätzliche Schutzschicht verzichtet werden, die im herkömmlichen CMOS-Prozess nicht eingesetzt werden würde. Hierdurch wird die Gefahr ausgeschaltet, dass eine solche zusätzliche Schutzschicht die Parameter der im CMOS-Prozeß hergestellten Transistoren negativ beeinflussen könnte. Die erfindungsgemäße Weiterentwicklung des CMOS-Prozesses zur Photosensorherstellung ist folglich nur mit minimalen Änderungen des herkömmlichen Prozesses verbunden, wobei zur Photodiodenstrukturierung nur eine zusätzliche Photomaske erforderlich ist, so dass kaum Mehrkosten entstehen.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
